Bahan Ajar Gelombang Bunyi

Bahan Ajar Gelombang Bunyi untuk SMA/MA/Sederajat Standar Isi 2017

Hak Cipta @2017 pada Pendidikan Fisika Fakultas Tarbiiyah dan Keguruan UIN Sunan Gunung Djati Bandung Disusun oleh: Rizki Zakwandi Editor: Drs Yudi Dirgantara, M.Pd. Dindin Nasrudin, M.Pd.

Universitas Islam Negeri Sunan Gunung Djati Bandung

TENTANG PENULIS

Rizki Zakwandi, lahir pada tanggal 09 Juli 1997 di Payakumbuh Sumatera Barat. Setelah menyelesaikan pendidikan dasar dan menengah ia merantau ke pulau Jawa untuk belajar fisika. Sejak tahun 2015 ia terdaftar sebagai mahasiswa Program Studi Pendidikan Fisika UIN Sunan Gunung Djati Bandung. Hingga saat ini Rizki aktif dalam berbagai kegiatan penelitian dan pengabdian pada masyarakat di lingkungan UIN Sunan Gunung Djati Bandung. Selain perkuliahan dan penelitian ia juga aktif sebagai tenaga pengajar di beberapa lembaga pengajaran mandiri sebagai guru. Di waktu luang ia sering menghasbiskan waktunya untuk melepaskan hobi dengan menonton film sci-fi, dan film action. Di jatah liburan ia sering bepergian ke alam untuk menikmati keindahan alam dan melepaskan hobynya yang lain yaitu hiking. Dalam bidang kajian fisika ia tertarik dalam bidang fisika instrumentasi dan komputasi sedangkan dalam dunia pendidikan ia tertarik dalam hal media pembelajaran.

KATA PENGANTAR Puji syukur kami panjatkan kehadirat Allah SWT atas Rahmat dan HidayatNya. Sholawat dan salam semoga terlimpah curahkan kepada Nabi Besar Muhammad Saw. Pada kesempatan ini alhamdulillah kami dapat menyelesaikan Bahan Ajar Gelombang Bunyi. Bahan ajar ini merupakan salah satu instrument yang diajukan untuk memenuhi salah satu syarat nilai pada mata kuliah Pendalaman Fisika Sekolah II. Pada kesempatan ini kami ucapkan terima kasih kepada : 1. Drs Yudi Dirgantara, M.Pd selaku dosen pengmpu mata kuliah yang telah meluangkan waktunya membimbing penulis untuk menyelesaikan bahan pengayaan ini. 2. Dindin Nasrudin, M.Pd selaku dosen pengmpu mata kuliah yang telah meluangkan waktunya membimbing penulis untuk menyelesaikan bahan pengayaan ini. 3. Sahabat dan orangtua kami senantiasa membantu dalam hal moral ataupun material. Kami menyadari bahwa makalah ini masih belum sempurna, karena itu saran dan kritik untuk perbaikan sangat kami harapkan dan semoga makalah ini dapat bermanfaat untuk kita semua. Bandung, Desember 2017

Penulis,

DAFTAR ISI TENTANG PENULIS .......................................................................................................................2 KATA PENGANTAR .......................................................................................................................3 DAFTAR ISI .......................................................................................................................................4 DAFTAR GAMBAR .........................................................................................................................5 PENDAHULUAN ............................................................................................................................6 PENDAHULUAN ............................................................................................................................6 Tahapan Belajar .................................................................................................................................7 Tahap Belajar .....................................................................................................................................7 Peta Konsep .......................................................................................................................................8 Ringkasan Materi ..............................................................................................................................9 Ringkasan Materi ..............................................................................................................................9 Bunyi...................................................................................................................................................9 Komponen Gelombang Bunyi.........................................................................................................9 Gejala Gelombang Bunyi ...............................................................................................................19 Energi Gelombang Bunyi ...............................................................................................................26 Intensitas dan Taraf Intensitas ......................................................................................................28 Rangkuman .....................................................................................................................................31 Latihan Soal .....................................................................................................................................32 Daftar Pustaka .................................................................................................................................33

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. Pita Suara Manusia ........................................................................................................9 Gambar 2. Ilustrasi Rambatan Bunyi ...........................................................................................10 Gambar 3. Aktifitas Magma merupakan contoh dari Bunyi Infrasonik .................................11 Gambar 4. Anjing Hutan................................................................................................................12 Gambar 5. Jangkrik .........................................................................................................................12 Gambar 6. Lumba-Lumba..............................................................................................................12 Gambar 7. Gelombang Sefase ...............................................................................................13 Gambar 8. Gelombang B eda Fase.................................................................................................13 Gambar 9. Cepat Rambat Bunyi pada Medium Padat ..............................................................15 Gambar 10. Sistem Sonar pada Kapal ..........................................................................................19 Gambar 11. Pembiasan Gelombang Bunyi ..................................................................................20 Gambar 12. Interferensi Gelombang ............................................................................................21 Gambar 13. Set Praktikum Tabung Resonansi............................................................................23 Gambar 14. Fenomena Efek Doppler ...........................................................................................24 Gambar 15. Energi dalam Elemen Volume .................................................................................26

5

1 PENDAHULUAN PENDAHULUAN Tahukah kamu dengan permainan ini? Atau adakah diantara kalian yang pernah memainkannya? Ya, permainan tersebut merupakan suatu permainan telepon tradisional. Permainan tersebut menggunakan kaleng sebagai mikrofon dan tali sebagai kabel peghubungnya. Penikmat film sang pemimpi juga tentunya tidak akan melupakan screen yang menggambarkan bahwa permainan ini dimainkan oleh dua tokoh utamanya yaitu Ikal dan Arai. Selain permainan tersebut, kita juga menemukan bahwa penggunaan telepon rumah menggunakan kabel untuk dapat terhubung, meskipun untuk berkomunikasi antar pulau. Tapi, ketika kita melihat orang berbicara dengan menggunakan handphone (HP) mereka tidak membutuhkan kabel untuk dapat berkomunikasi dengan orang lain. Mengapa demikian? Apa yang menyebabkan ketiga hal ini saling bertentangan? Bagaimanakah mekanisme pengantarkan suara manusia tersebut? Faktor apa saja yang berpengaruh? Mari kita bahas satu persatu dalam bab ini. Pembahasan materi gelombang suara meliputi karakteristik gelombang bunyi, cepat rambat bunyi, azas/efek Dopler, intensitas, taraf intensitas, dan eksperimen mengenai fenomena gelombang pada tali/dawai dan fenomena gelombang bunyi pada pipa organa.

Kompetensi Inti KI.1.Menghayati dan mengamalkan ajaran agama yang dianutnya KI.2. Menghayati dan mengamalkan perilaku jujur, disiplin, tanggungjawab, peduli (gotongroyong, kerjasama, toleran, damai), santun, responsif, dan proaktif dan menunjukkan sikap sebagai bagian dari solusi atas berbagai permasalahan dalam berinteraksi secara efektif dengan lingkungan sosial dan alam serta dalam menempatkan diri sebagai cerminan bangsa dalam pergaulan dunia. KI.3.Memahami, menerapkan dan menganalisis faktual, konseptual, dan procedural dan metakognitif berdasarkan rasa ingin tahunya tentang ilmu pengetahuan, teknologi, seni, budaya dan humaniora dalam wawasan kemanusiaan, kebangsaan, kenegaraan, dan peradaban terkait penyebab fenomena dan kejadian dalam bidang kerja yang spesifik untuk memecahkan masalah. KI.4. Mengolah, menalar, dan menyaji dalam ranah konkret dan ranah abstrak terkait dengan pengembangan dari yang dipelajarinya di sekolah secara mandiri, bertindak secara efektif dan kreatif, serta mampu menggunakan metoda sesuai kaidah keilmuan

Kompetensi Dasar 1.10 Menyadari kebesaran Tuhan yang menciftakan dan mengatur alam jagad raya melalui pengamatan fenomena alam fisis dan pengukurannya. 2.10 Menunjukkan perilaku ilmiah (memiliki rasa ingin tahu, objektif, jujur, teliti, cermat, tekun, hati-hati, bertanggungjawab, terbuka, kritis, kreatif, inovatif, dan peduli lingkungan) dalam aktivitas sehari-hari sebagai wujud implementasi sikap dalam melakukan percobaan, melaporkan, dan berdiskusi. 3.10 Menerapkan konsep dan prinsip gelombang bunyi dan cahaya dalam teknologi 4.10 Melakukan percobaan tentang gelombang bunyi dan / atau cahaya berikut presentasi dan makna fisisnya misalnya sonometer dan kisis difraksi

Gelombang Bunyi - 6

2 Tahapan Belajar Tahap Belajar Indikator Pembeajaran 3.10.1 Mampu merincikan karakteristik gelombang bunyi. 3.10.2 Mampu memprediksi cepat rapat gelombang bunyi dalam suatu medium. 3.10.3 Mampu menguraikan fenomena bunyi dengan azas Dopler. 3.10.4 Mampu membedakan intensitan dan taraf intensitas. 4.10.1 Mampu mempraktekkan experimen mengenai gelombang pada dawai. 4.10.2 Mampu melaksanakan experimen mengenai gelombang pada pipa organa

Tujuan Pembelajaran 3.10.1.1 Melalui pengamatan video/animasi tentang penggunaan USG, Sonar dan permasalahan terkait peserta didik dapat merinci karakteristik dari gelombang bunyi dengan benar. 3.10.2.1 Peserta didik mampu memprediksi cepat rambat bunyi pada suatu medium melalui penelusuran atau menganalisis dari contoh yang diberikan secara tepat. 3.10.2.2 Setelah berdiskusi, peserta didik dapat mengklasifikasikan cepat rambat bunyi secara tepat. 3.10.3.1 Melalui pemberian contoh fenomena terkait dan berdiskusi dengan kelompok, peserta didik dapat menguraikan fenomena bunyi dengan mengadopsi azas Dopler secara tepat. 3.10.4.1 Melalui diskusi kelompok dan penelusuran, peserta didik mampu membedakan intensitas dan taraf intensitas bunyi. 3.10.4.2 Melalui pemberian contoh, peserta didik dapat menghitung dan menyelesaikan permasalahan intensitas dan taraf intensitas dari fenomena yang terjadi secara tepat. 4.10.1.1 Peserta didik dapat melakukan eksperimen mengenai gelombang bunyi pada dawai secara tepat dan benar. 4.10.2.1 Peserta didik mampu melaksanakan eksperimen mengenai gelombang bunyi pada pipa organa secara tepat dan benar.

Pendahuluan

Apersepsi

Konten Belajar

Aplikasi Kehidupan

Latihan Soal

Pengayaan

Materi Pelajaran -

Karakteristik Gelombang Bunyi Jenis dan sifat gelombang Bunyi Gelombang bunyi pada dawai dan pipa organa

- Azas Dopler - Cepat Rambat Bunyi - Daya dan Energi Gelombang Bungi

7

PETA KONSEP Padat Infrasonik Peta Konsep

Cair Dibedakan menjadi

Audiosonik

Dalam medium

Ultrasonik

Amplitudo

Perioda

Gas

Fase

Frekuensi

Panjang Gelombang

Cepat Rambat

Terdiri

Intensitas, dan Taraf Intensitas

Terukur pada

Bunyi

Menghasilkan

Daya dan Energi Bunyi

Superposisi

Efek Dopler

Memilki gejala

Interferensi

Resonansi

Pemantulan

Diklasifikasikan Diterapkan Pada

Konstruktif

Destruktif

Dibedakan menjadi

Gaung

Gema Contoh Kehidupan Loud Speaker Stereo

1. Dawai 2. Pipaa Organa 3. Gendang 4. Gelas/kaca yang pecahg

Menghasilkan

Node Minimum

Node Maksimum

Gelombang Bunyi - 8

3

Ringkasa n Materi

Ringkasan Materi

Bunyi

Bunyi

Bunyi atau suara yang kita dengar merupakan salah satu bentuk gelombang dalam kehidupan sehari-hari. Sebagai bentuk gelombang tentunya bunyi dihasilkan oleh sesuatu yang bergetar. Ada yang tau ketika berbicara suara dihasilkan oleh apa? Ya, suara dihasilkan oleh pita suara yang terdapat didalam tenggorokan kita bergetar dengan ritme tertentu. Untuk membuktikannya maka cobalah berteriak sekencang mungkin. Saat berteriak peganglah tenggorokanmu maka akan terasa getaran dari pita suaramu yang menghasilkan frekuensi tinggi saat kamu berteriak. Gelombang bunyi termasuk gelombang mekanik sehingga dalam perambatannya membutuhkan suatu medium atau perantara. Bunyi dapat merambat melalui medium apapun, baik itu padat, cair, atau gas. Lalu bagaimana astronot dapat berbicara diluar angkasa? Astronot untuk berbicara diluar angkasa membutuhkan alat bantu berupa radio. Suara terlebih dahulu diterjemahkan kedalam bentuk sinyal-sinyal radio yang kemudian dipancarkan melalui frekuensi radio itu sehingga para astronot dapat saling berinteraksi di luar angkasa. Agar lebih menambah pemahamanmu kamu dapat menelusuri bagaimana cara kerja radio dalam menyampaikan pesan didalam materi gelombang elektromagnetik.

Komponen Gelombang Bunyi

Komponen Gelombang Bunyi

Gelombang bunyi pada dasarnya tidak berbeda dengan gelombang lainnya. Gelombang bunyi juga memiliki komponen gelombang pada umumnya seperti amplitudo, frekuensi, perioda, fase, panjang gelombang, dan cepat rambat gelombang. Gelombang bunyi tergolong gelombang longitudinal sehingga sudut antara arah getaran dan arah rambatan gelombangnya adalah nol. Selama perambatannya gelombang longitudinal akan membentuk pola rapatan dan regangan yang menjadi pemklasifikasian satu gelombang longitudinal. Pada gambar disamping dapat diketahui bahwa suara manusia dihasilkan dari pita suara yang bergetar di tenggorokan. Saat udara dari dada atau perut melewati pita suara maka akan terjadi getaran maju-mundur pada pita suara. Saaat menerima tekananan dari udara yang berasal dari dalam maka pita suara akan menghasilkan pola rapatan, sebaliknya ketika tekanan dari dalam mengecil maka gelombang yang dihasilkan oleh pita suara akan berupa pola regangan. Pola ini yang kemudian berlanjut ke udara dan merambat ke Gambar 1. Pita Suara Manusia Sumber: http://myhealth.alberta.ca/Health/Pages/conditi ons.aspx?hwid=zm6119

Gelombang Bunyi - 9

pendengar . Gelombang yang dihasilkan oleh pita suara akan merambat di udara sebagaimana skema berikut:

Gambar 2. Ilustrasi Rambatan Bunyi (Sumber: http://softilmu.com/2014/08/gelombang-bunyi.html?m=1)

A. Amplitudo (A) Amplitudo pada gelombang suara merupakan faktor yang menentukan keras atau tidaknya bunyi yang dihasilkan. Karena gelombang merupakan hasil dari sesuatu yang bergetar maka objek getarannya akan mempengaruhi besar kecilnya bunyi yang dihasilkan. Semakin besar amplitudo getaran maka akan menghasilkan gelombang bunyi yang lebih keras. Pada manusia besar atau kecilnya amplitudo bergantung pada pita suara dan struktur rongga tenggorokan yang dimiliki oleh orang tersebut. Amplitudo sebagai ebsaran yang menyatakan simpangan merupakan nilai yang menyatakan jarak Dalam kehidupan kita sehingga satuan dari amplitudo adalah sama halnya sering mendengar istilah dengan satuan jarak (panjang) yaitu meter. suara dan nada. Pada B. Frekuensi ( f ) dasarnya kedua hal tersebut Suatu gelombang yang dihasilkan oleh benda yang adalah berbeda. Suara merupakan sifat fisis dasar bergetar maka secara tidak langsung akan memiliki dari gelombang bunyi. frekuensi. Frekuensi sendiri merupakan besaran yang Suara juga merupakan menyatakan “jumlah getaran atau gelombang yang terjadi urutan gelombang tekanan dalam rentang waktu satu detik (second)”. Frekuensi pada yang merambat pada gelombang bunyi menentukan tinggi atau rendahnya medium. Sedangkan nada nada yang dihasilkan. Suara dengan nada tinggi seperti adalah bagian dari suara musik rock memiliki nilai frekuensi yang tinggi yang memiliki yang mempunyai ketinggian sedangkan nada sendu seperti kicauan burung tertentu. Sehingga dalam memiliki frekuensi rendah. Klasifikasi bunyi tangga nada pengklasiberdasarkan nilai frekuensi yang dimiliki terdiri atas fikasian yang dilakukan tiga jenis yaitu infrasonic, audiosonic dan ultrasonic. adalah berdasarkan tinggi 1. Infrasonic rendahnya nada tersebut Bunyi dengan frekuensi sangat rendah disebut dengan bunyi infrasonic. Secara matematis rentag frekuensi dari bunyi infrasonic adalah 0-20Hz. Untuk tipe telinga manusia pada umumnya tidak akan mampu

Info Sains

Gelombang Bunyi - 10

mendengarkan bunyi infrasonic karena frekuensinya yang sangat kecil. Bagi manusia pendeteksian bunyi infrasonik harus menggunakan alat bantu, beda halnya dengan beberapa hewan yang mampu mendengarkan bunyi infrasonic tanpa menggunakan alat bantu. Diantaranya adalah kucing, anjing, dan jangkrik. Hewan-hewan tersebut dapat mendengarkan bunyi infrasonik dari jarak yang cukup jauh. Sebagai contoh, anjing hutan dan jangkrik merupakan hewan yang paling dahulu bermigrasi apabila akan terjadi letusan gunung berapi. Hal ini disebabkan karena kemampuan mereka mendengarkan aktifitas magma dan pergerakan lempeng tektonik di lapisan mesosfer. Pergerakan-pergerakan tersebut pada dasarnya menghasilkan bunyi akan tetapi dalam orde infrasonik

Gambar 3. Aktifitas Magma merupakan contoh dari Bunyi Infrasonik (sumber: http://geografigeografi.blogspot.co.id/2012/02/aktifitas -magma-gunung-api.html?m=1)

Tahukah Anda ??? Tahukah anda bahwa frekuensi suara perempuan lebih besar dari laki-laki....? Suara perempuan memi-liki frekuensi yang lebih besar dari pada laki-laki. Ketika perempuan berteriak dengan suara yang sangat kencang dapat menyebab-kan beberapa benda berge-tar dan untuk beberapa bahan yang kurang kuat dapat pecah. Selain itu dalam paduan suara perempuan biasanya berada pada kelompk sopran, mezzo sopran dankontralto yang merupakan suara dengan anda tinggi

2. Audiosonic Istilah audiosonic digunakan untuk mendefenisikan frekuensi bunyi yang mampu didengar oleh telinga manusia. Telinga manusia sendiri memiliki keterbatasan dalam melakukan pendengaran. Rentang frekuensi bunyi yang dapat didengar oleh telinga manusia adalah antara 20 sampai 20.000 Hz. Frekuensi yang berada dibawah batas pendengaran manusia tidak akan mampu didengar oleh telinga manusia normal sedangkan frekuensi yang memiliki nilai diatas ambang pendengaran manusia akan menyebabkan kesakitan pada gendang telinga dan dapat menyebabkan kerusakan pada sistem pendengaran manusia. Pada percakapan manusia normal frekuensi bunyi yang dihasilkan adalah pada rentang nilai 512-2048 Hz tergantung pita suara masing-masing orang. Ketika berbisik seseorang akan mengahasilkan frekuensi sekitar 50 Hz sehingga pada orang-orang yang memiliki gangguan


pendengaran hal ini akan sedikit mengganggu, sedangkan pada saat berteriak seseorang mampu menghasilkan frekuensi mencapai 10.000 Hz. 3. Ultrasonic Istilah ultrasonic berasal dari bahasa latin Ulterior yang berarti sesuatu yang luar biasa dan berlebihan. Pemasangan dengan kata sonic yang berarti suara maka dapat dinyatakan bahwa makna dari kata ultrasonic adalah gelombang bunyi yang memiliki frekuensi lebih. Frekuensi bunyi ultrasonic berada pada rentang >20.000Hz -  . Sama halnya dengan bunyi infrasonic bunyi ultrasonic juga tidak dapat didengar langsung oleh manusia. Salah satu hewan yang mampu mendengarkan bunyi ultrasonic adalah lumba-lumba. Hewan-Hewan yang dapat mendengarkan bunyi infrasonic (Anjing Hutan dan Jangkirik) dan bunyi Ultrasonic (Lumba-Lumba) Gambar 4. Anjing Hutan Gambar 5. Jangkrik Gambar 6. Lumba-Lumba

Sumber: http://goo.gl/oGSaS7

Sumber: http://goo.gl/wyAiy7

Sumber: http://goo.gl/XqoGXN

C. Periode Sesuatu objek yang melakukan gerakan osilasi tentunya akan memiliki perioda. Gelombang bunyi sebagai salah satu hasil dari sesuatu yang bergetar (vibrasi) juga memiliki perioda getaran. Secara matematis perioda didefenisikan sebagai

T

1 f

(1)

dengan T adalah perioda getaran dengan satuan sekond dan f adalah frekuensi getar dengan satuan Hz. Dengan defenisi tersebut maka dapat dinyatakan bahwa perioda sendiri adalah “waktu yang dibutuhkan untuk membuat satu kali osilasi”. Contoh Soal: Suatu gelombang bunyi dihasilkan oleh garpu tala yang memiliki tetapan sebesar 243 Hz. Tentukan besar perioda getaran dari garpu tala tersebut: Solusi: Diketahui : f = 243 Hz Ditanya :T=? 1 Jawab: T   1  0,004s f 243


D. Fase Gelombang (ϕ) Gelombang bunyi dihasilkan oleh suatu getaran yang kemudian merambat melalui medium tertentu. Ketika gelombang mulai merambat tentunya memiliki awalan yang tidak selalu sama antara satu dan yang lainnya. Sebagai contoh ketika kamu memainkan gitar, tentunya arah dan tahanan yang diberikan pada senar gitar tersebut tidak selalu sama. Fenomena tersebut dapat dijelaskan melalui pendekatan fase gelombang. Fase gelombang menyatakan keadaan suatu titik uji (gelombang dari masing-masing senar gitar) yang berkaitan dengan simpangan dan arah getarannya. Berkaitan dengan itu maka dapay diklasifikasikan bahwa ada gelombang bunyi yang memiliki fase gelombang yang sama (sefase) dan yang tidak.

Gambar 7. Gelombang Sefase

Gambar 8. elombang B eda Fase

Fase gelombang nantinya akan sangat berpengaruh pada gejala interferensi gelombang. E. Panjang Gelombang (λ) Panjang gelombang (λ) merupakan besaran skalar.

F.

Panjang gelombang memiliki hubungan yang inversi terhadap frekuensi gelombang. Pada gelombang bunyi panjang gelombang merupakan jarak dari satu rapatan ke rapatan berikutnya ataupun jarak dari satu regangan ke regangan berikutnya. Cepat Rambat Gelombang Gelombang sebagai sesuatu yang merambat tentunya memiliki kecepatan selama proses rambatannya. Pada gelombang hal ini disebut dengan istilah cepat rambat gelombang yang dinyatakan dengan notasi (c, ataupun v). Sama halnya dengan kecepatan pada umumnya cepat rambat gelombang memiliki satuan m/s dengan dimensi [L][T]-1 sehingga secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut:

c



Tantangan..! Sebuah gelombang sinusoidal hasil pembacaan dengan menggunakan osiloskop memiliki panjang terhadap sumbu vertikal sebesar 2,4 div dan panjang terhadap sumbu x sejauh 4 div. Jika osiloskop disetting pada tegangan sebesar 0,5 volt/div dan 1 ms/div. Tentukanlah: a. Amplitudo b. Frekuensi c. Perioda d. Cepat Rambat Petunjuk: untuk menyelesaikan persoalan diatas kamu membutuhkan keterampilan dalam membaca osiloskop.

T Gelombang Bunyi - 13

(2) dengan menggunakan korelasi dari persamaan (1) sehingga

c  f

(3)

dimana c = Cepat rambat bunyi m/s T = Perioda s f = Frekuensi Hz Gelombang bunyi sebagai gelombang mekanik yang mana membutuhkan medium untuk merambat. Selama proses perambatan gelombang bunyi dalam suatu medium dipengaruhi oleh beberapa hal diantaranya: a) Kerapatan medium perambatan. Sebagai gelombang mekanik maka kerapatan sangat berpengaruh pada kecepatan rambat dari suatu bunyi. Semakin rapat partikel penyusun mediumnya maka cepat rambat gelombang bunyi akan semakin besar. Dalam hal ini kerapatan bahan memiliki hubungan yang sebanding dengan cepat rambat bunyi atau

1.

c   . ρ adalah kerapatan bahan (kg/m3).

Pengaruh dari kerapatan ini akan terlihat pada cepat rambat gelombang bunyi dalam medium padat, cair dan gas. b) Temperatur medium perambatan. Suatu partikel secara mekanis pada dasarnya memiliki kecendrungan saat dipanaskan. Ketika suatu objek dipanaskan maka objek tersebut akan bergetar, berotasi, atau bertranslasi dengan kata lain akan menghasilkan energi kinetik. Konsep tersebut seiring dengan cepat rambat gelombang bunyi yang memanfaatkan partikel sebagai medium perambatannya. Ketika Temperatur dari partikel tersebut dipanaskan maka kecepatan geraknya akan meningkat dan hal ini menyebabkan cepat rambat bunyi juga menjadi meningkat. Secara keseluruhan dapat disimpulkan bahwa cepat rambat bunyi meningkat seiring dengan kenaikan Temperatur. Cepat rambat bunyi pada medium padat. Benda padat merupakan zat yang memiliki kerapatan paling besar sehingga jarak antar partikel pada benda padat sangat rapat. Perambatan gelombang bunyi dalam medium padat dipengaruhi oleh modulus young bahan dan kerapatan objek. Ketika suatu gaya luar diberikan kepada benda padat maka akan menghasilkan suatu perubahan dimensi sejauh x terhadao benda tersebut. Perhatikan gambar berikut:


Gambar 9. Cepat Rambat Bunyi pada Medium Padat

Misalkan s merupakan panjang awal dari sebuah batang logam yang memiliki luas sebesar A. Pada saat batang logam diberikan gaya sebesar F maka akan menghasilkan pertambahan panjang sebesar s’. Maka kondisi tersebut memenuhi kondisi kekakuan yang dinyatakan oleh modulus Ypung dengan persamaan

Y

Y

tegangan regangan

(4)

F

A  Fs ' s As s'

(5)

Merujuk pada persamaan dasar kinematika maka nilai dari s (panjang) memenuhi kondisi yang sama sebagai jarak. Sehingga dengan mensubtitusikan s = v x t maka persamaan 5 dapat ditulis ulang menjadi

Y dengan

F A v v’

Udara Udara 0oC Helium Hidrogen Air Air Laut Glass Aluminium Kayu keras

Cepat Rambat Bunyi (m/s) 343 331 1005 1300 1440 1560 4500 5100 4000

(6)

= =

Gaya Luas Penampang

N m2

=

Cepat rambat gelombang

m/s

Tabel 1. Nilai cepat rambat bunyi beberapa bahan Material

F .v'.t F .v'.  A.v.t A.v.

Pada persamaan 6 kita dapat mengabaikan variabel t untuk menemukan nilai dari modulus Young benda. Akan tetapi notasi dari persamaan 6 dapat dinyatakan dalam bentuk fungsi gaya yang mana

Ft 

Y . Av '. v.

(7)

Pada pembelajaran sebelumnya kita sudah mengetahui bahwa nilai dari F.t merupakan momentum dari massa batang sepanjang perubahan kecepatan dari 0 menjadi v. Maka persamaan 7 menjadi:

Ft  m(v2  v1 )

(8)


Ft  m(v  0)  mv Ft  Vv

(10)

Ft  Av 2 t

(11)

v dimana

Y

ρ

(9)

= =

Ft Y  At 

(12)

Modulus Young Massa jenis / Kerapatan

N/m2 Kg/m3

Tahukah Anda ??? Tahukah anda bahwa ternyata seismograf merupakan peralatan yang bekerja dengan mengadopsi prinsip cepat rambat gelombang dalam medium padat? Pada saat terjadi gempa hal yang perlu diidentifikasi oleh BMKG adalah letak pusat gempa (episentrum). Saat gempa seismograf yang berfungsi sebagai detektor akan menampilkan dua buah grafik gelombang beriringan yang disebut dengan gelombang P dan gelombang S.

Interval dari dua gelombang tersebut dapat digunakan untuk menganalisi jarak dari episentrum dari seismograf. Selanjutnya dengan mentabulasi data yang diperoleh dari seismograf lainnya maka dengan mudah titik episentrum dapat ditemukan. 2.

Cepat rambat bunyi pada medium cair. Suatu zat yang digolongkan kedalam cairan jika zat tersebut tidak mampu mempertahan modulus volumnya (Bulk) sehingga zat cair cendrung mengikuti bentuk wadahnya. Modulus Bulk (  ) merupakan karakter kepekatan zat cair yang menentukan sulit mudahnya zat cair tersebut untuk merubah bentuk. Nilai modulus Bulk ditentukan oleh karakteristik bahan sehingga antara antara satu zat dengan zat lainnya akan memiliki nilai modulus Bulk yang berbeda. Berbeda dengan modulus Young, modulus Bulk bekerja pada suatu volume yang memliliki dimensi ruang. Berdasarkan persamaan 12 kita dapat melihat bahwa untuk bidang satu dimensi persamaan cepat rambat bunyi dinyatakan oleh modulus Young dan massa


jenis benda. Dengan cara yang sama pada kasus tiga dimensi kita dapat mengganti variabel Y menjadi



sehingga kita

memperoleh persamaan cepat rambat bunyi didalam medium cair berupa

v

 

(13)

Penggunaan persamaan 13 untuk menentukan nilai cepat rambat bunyi didalam medium cair juga mengalami hambatan. Hambatan yang muncul adalah jika zat cair yang digunakan sebagai medium perambatan mengalami osilasi yang diakibatkan oleh gaya grafitasi.Untuk emngatasi permasalahan tersebut kita bisa melakukan aproximasi persmaan 13 untuk kasus tersebut menjadi

v  gd (14) dengan g adalah percepatan grafitasi (9,8 m/s2) dan d adalah kedalaman dari cairan tersebut. 3.

Cepat rambat bunyi pada medium gas. Kasus perambatan bunyi pada medium gas tidak bisa disamakan dengan zat cair meskipun keduanya tergolong kedalam zat yang berwujud fluida. Dalam kasus medium gas, cepat rambat gelombang bunyi juga dipengaruhi oleh modulus Bulk dari udara yang terkandung. Akan tetapi ketika kita membahas modulus Bulk pada zat cair tidak terdapat faktor tekanan sedangkan pada gas terdapat kontribusi dari tekanan terhadap modulus Bulk. Hal tersebut disebabkan karena zat cair merupakan zat yang tergolong non-compressible sedangkan gas merupakan zat yang bersifat compressible. Merujuk pada pembahasan Teori Kinetik Gas tentunya kalian ingat dengan konstanta gas (K). Nilai konstanta K diperoleh dari perkalian konstanta laplace dengan tekanan atau

K  P .  adalah tetapan Laplace yang diperoleh dari perbandingan kapasitas kalor pada tekanan tetap (C p) dan pada volume tetap (Cv). Sehingga dengan

Tantangan..! Pada tanggal 5 april 1815 terjadi letusan gunung di kabupaten Dompu selama 5 hari. Letusan yang dihasilkan oleh gunung tersebut terdengar hingga pulau sumatera yang berjarak 2600 km. Sedangkan gelombang tsunami yang dihasilkan oleh letusan tersebut mencapai tinggi 4 m sejauh 30 km ke arah timur dan 1-2 meter kearah barat sejauh 500 km. Analisislah kemungkinan-kemungkinan dari fenomena tersebut menggunakan persamaan yang telah kamu pelajari.

Glosarium Compressibe; merupakan istilah yang digunakan untuk menyatakan zat-zat yang mengalami perubahan volume saat diberi tekanan dari luar. Non-Compressibe; merupakan istilah yang digunakan untuk menyatakan zat-zat yang tidak mengalami perubahan volume saat diberi tekanan dari luar.


mengganti variabel pada peramaan 13 maka diperoleh:

v

K

v 



P



(13)

Pada pembelajatan Teori Kinetik Gas suatu persamaan gas idel dinyatakan dalam PV  RT . Dengan mensubtitusikan nilai

 kedalam persamaan maka

diperoleh:

m m , V  V  P RT   m



(14) (15)

maka

v 

γ

=

RT m

(16)

Tetpan Laplace

R = Tetapan Gas Ideal 8300 J/kmolK T = Temperature K m = Massa molekul gas Kg/mol Berdasarkan persamaan 16 dapat disimpulkan bahwa persamaan cepat rambat bunyi di udara tidak dipengaruhi oleh tekanan akan tetapi oleh temperatur udara. Kesebandingan antara v  T menunjukan bahwa perambatan gelombang bunyi semakin bertambah seiring dengan akar kuadrad temperatur. Secara sederhana dapat dinyatakan bahwa semakin tinggi temperatur suatu lingkungan maka semakin besar nilai cepat rambat bunyi di daerah tersebut. Fenomena dalam kehidupan adalah suara yang terdengar lebih nyaring dimalam hari dibandingkan siang hari. Hal tersebut terjadi karena pada siang hari temperatur gas naik sehingga suara merambat dengan cepat. Sedangkan pada malam hari terjadi penurunan temperatur yang mengakibatkan perambatan bunyi menjadi berkurang dan bunyi menjadi lebih nyaring. Contoh Soal: Dawai gitar yang memiliki panjang 1 meter dan massa 10 g mengahasilkan bunyi nada atas kesatu dengan frekuensi 400Hz. Berapakah tegangan pada dawai tersebut? (SNMPTN 2010) Jawab: Diketahui: l = 1m, m = 10-2kg, n=1 dan f = 400 Hz

ρ = m/l = 10-2/1 = 10-2kg/m F F v   10 2 f n  n  1

v v ,  400  (1  1) 2l 2(1)


F 2 400  (1  1) 10 2

F  1600 N

Gejala-Gejala Gelombang Bunyi 1.

Gejala Gelombang Bunyi

Pemantulan Gelombang Bunyi Pernahkah kalian melihat pementasan teater, atau menonton di bioskop? Mengapa pada peanggung teater atau bioskop dipasangkan alat peredam suara? Mari kita pelajari bersama! Pemasangan alat peredam suara pada dinding panggung teater dan bioskop merupakan antisipasi yang dilakukan untuk megatasi gejala pemantulan gelombang bunyi. Ketika gelombang bunyi merambat ke suatu penghalang maka akan menghasilkan gelombang pantul dari penghalang tersebut. Ketika pantulan yang juga merupakan bunyi merambat dengan arah yang berlawanan maka akan menimbulkan gaung atau kerdam. Gaung terjadi jika antara bunyi pantul dan bunyi asli muncul dalam waktu yang bersamaan sehingga menyebabkan bunyi menjadi tidak terdengar jelas. Selain memberikan efek buruk terhadap bunyi dalam suatu ruangan, gejala pemantulan bunyi juga memiliki manfaat tersendiri. Salah satu bentuk pemanfaatan gejala pemantulan bunyi adalah pada sistem sonar.

Info Sains Perkembangan IPTEK telah mampu mengembangkan suatu pesawat dengan kecepatan gerak yang lebih cepat dari cepat rambat bunyi di udara. Pergerakan dengan kecepatan melebihi cepat rambat bunyi di udara dinamakan dengan kecepatan supersonic. Jenis pesawat supersonik mempunyai mesin jet seperti pada pesawat U.S Navy F/A-18 milik angkatan laut Amerika Serikat. Kecepatan tempuh pesawat tersebut mencapai 343 m/s pada suhu 200C dan kecepatan angin sebesar 667 knot. Cepat rambat bunyi di udara berdasarkan hasil eksperimen dan aproximasi adalah 340 m/s. Sehingga gerak pesawat tersebut melebihi kecepatan rambat bunyi di udara.

Gambar 10. Sistem Sonar pada Kapal Sumber: http://goo.gl/PhMvmT

Sonar adalah peralatan yang digunakan untuk mengetahui keberadaan dan mengukur kedalam laut. Pada sonar suatu gelombang sumber (bunyi) ditembakan ke dasar laut. Akibat dari pemantulan gelombang bunyi oleh permukaan laut yang kasar maka akan terjadi gelombang balik dengan arah yang berlawanan (menuju permukaan). Gelombang pantul dari permukaan laut akan ditangkap oleh sebuah


2.

senssor yang akan memetakan koordinat benda/kedalaman dengan membandingkan perbedaan waktu dari saat gelombang dipancar hinggagelombang pantul diterima oleh sensor. Pembiasan Gelombang Bunyi Pembiasan gelombang merupakan pembelokan arah rambat gelombang. Pembelokan gelombang bunyi disebabkan oleh perbedaan kerapatan medium yang yang dilaluinya. Sabagai contoh sumber bunyi yang berasal dari medium yang renggang akan dibelokan ketika memasuki medium yang lebh rapat. Kerapatan medium memberikan pengaruh terhadap cepat rambat bunyi yang bergerak. Pada meium yang lebih rapat bunyi akan mengalami perlambatan sehingga terjadi perubahan kecepatan rambat. Akibatnya terjadi penyimpangan jalur perambatan dari gelombang bunyi tersebut.

Gambar 11. Pembiasan Gelombang Bunyi (Sumber: http://goo.gl/5fCLkP)

3.

Sebagai contoh ketika malam hari kamu akan mendengarkan bunyi lebih nyaring dan jelas dibandingkan siang hari. Pada prinsipnya hal tersebut dipengaruhi oleh banyak hal diantaranya tingkat kebisingan dan kerapatan udara di atmosfer. Pada siang hari udara akan mengalami ekspansi sehingga volume udara di atmosfer menjadi bertambah seiring pengurangan nilai kerapatannya. Hal tersebut menyebabkan nilai kecepatan bunyi menjadi meningkat. Ketika terdapat suau sumber bunyi maka gelombang tersebut akan dibiaskan menjauhi permukaan bumi. Hal ini menyebabkan bunyi terdengar kurang jelas. Pada malam hari yang merupakan kondisi atmosfer berada pada temperatur minimum memiliki kerapatan udara yang besar sehingga gelombang bunyi dari sumber akan dibiaskan mendekati permukaan bumi. Difraksi Gelombang Bunyi Dalam proses difraksi salah satu faktor yang berpengaruh adalah panjang gelombang. Dengan mengadopsi persamaan

d sin  n

(17) maka nilai panjang gelombang (λ) merupakan indikator alami suatu gelombang untuk mengalami difraksi. Gelombang bunyi merupakan gelombang dengan panjang gelombang yang besar yaitu berkisar pada orde centi-meter hingga meter.. Dengan panjang gelombang yang besar maka gelombang bunyi tergolong gelomang yang mudak untuk berdifraksi. Sebagai oerbandingan sederhana pada gelombang cahaya yang memiliki panjang gelombang dari orde amstrong (10 -10) sampai ke orde


4.

mikrmeter (10-6). Sebagai contoh sederhana ketika menutup speker dengan bantal maka kita masih bisa mendengar suara dari speker tersebut meskipun dengan intensitas yang kecil. Hal ini tidak dapat kita lakukan pada senter. Ketika senter ditutup dengan bantal maka cahaya senter tidak akan bisa menembus hingga keluar permukaan bantal. Interferensi Gelombang Bunyi Inteferensi merupakan suatu fenomena yang dihasilkan oleh superposisi. Ketika terjadi superposisi gelombang mengalami perpaduan dengan gelombang lainnya yang saling koheren. Koheren menjadi suatu syarat agar terjadi interferensi pada gelombang. Koheren mengisyratkan gelombang yang berinterferensi memiliki amplitudo dan frekuensi yang sama. Dalam kehidupan sehari-hari fenomena interferensi banyak dimanfaatkan dalam bidang indutri musik. Sebagai contoh pada pengembangan pengeras suara atau speker dengan type stereo. Dalam teknik tata ruangan fenomena interferensi gelombang juga menjadi suatu pertimbangan dalam penyusunan dan menempatkan pengeras suara agar audien dapat mendengar materi dengan baik. Selama proses interferensi gelombang bunyi maka akan terjadi suatu pola maksimum dan minimum dari perpaduan gelombang dengan istilah konstruktif untuk pola maksimum dan destrukrif untuk pola minimum. Interferensi yang konstruktif akan mengahsilkan memberikan bunyi yang terdengar keras sedangkan interferensi minimum menyebabkan bunyi terdengar agak lemah.

Gambar 12. Interferensi Gelombang

Pada gambar 11 terlihat bentuk interferensi yang terjadi pada gelombang sinusoidal yang menhasilkan interferensi maksimum ketika terjadi superposisi yang menghasilkan gelombang dan interferensi minimum ketika terjadi superposisi yang menghasilkan simpul gelombang. Sebagai contoh, ketika dua buah gelombang bunyi yang dihasilkan oleh S1 dan S2 diatur sedemikian rupa sehingga terjadi superposisi maksimum pada titik M dan superposisi minimum pada titik N. Pada titik M yang merupakan interferensi konstruktif terjadi ketika S 1 dan S2 memiliki fase yang sama (sefase) atau memiliki beda lintasan yang merupakan kelipatan bulat dari panjang gelombang bunyi. Secara matematis diformulasikan sebagai berikut:


S  S1 M  S 2 M  n

(18)

Pada titik N bunyi terdengar sangat kecil sehingga dititik tersebut gelombang mengalami interferensi minimum yang bersifat destruktif. Interferensi destruktif tersebut diakibatkan oleh gelombang yang memiliki fase berlawanan yang secara matematis diformulasikan sebagai berikut:

S  S1 N  S 2 N  (n  1 ) 2

(19)

dengan n merupakan urutan pola yang bernilai n = 0, 1, 2 ,2 ,..... dst. Contoh Soal: Dua bauh sumber suara koheren A dan B dipisahkan sejauh 3,6 meter. Seorang pengamat berdiri sejauh 2,7 meter dari pengeras B sehingga kedudukan anak terhadap sistem tersebut adalah siku-siku. Jika kedua sumber suara tersebut mengahsilkan gelombang dengan frekuaensi 95 Hz dan ceapat rambat gelombang di udara adalah 342 m/s. Tentukan apakah pengamat tersebut mendengarkan bunyi dengan taraf maksimum atau minimum? Jawab: AB = 3,6 m BC = 2,7 m AC = 4,5 m Beda lintasan

S  AC  BC  4,5m  2,7m  1,8m v  f    S 

v  3,60m f

3,60  sehingga dengan menggunakan bentuk persamaan (19) maka  2 2

dapat disimpulkan bahwa pengamat tersebut akan mendengar suara minimum dengan bentuk interferensi pada posisi tersebut adalah destruktif .

Soal Tantangan Sebuah pertunjukan musik menggunakan 10 buah speker yang dipasang 5 dipasang disisi kanan dan kiri panggung. Jika panggung yang digunakan memiliki dimensi lebar 15 meter dan masing-masing speker menghasilkan bunyi yang memiliki panjang gelombang sebesar 15 cm. Berapakah jarak yang tepat untuk , mengatur bangku penonton agar setiap baris dapat mendengar musik dengan intensitas maksimal (interferensi maksimum)? Diketahui kerapatan udara di dalam ruangan adalah 1,312 kg/m 3 dan suhu ruangan pada saat itu adalah 250C. 5.

Resonansi Gelombang Bunyi Dalam pembelajaran fisika sewaktu SMP tentunya kalian ingat dengan garpu tala? Ya, garpu tala merupakan salah satu peralatan yang sering digunakan pada waktu praktikum tentang bunyi. Tapi tahukah mengapa ketika garpu tala digetarkan maka


garpu tala yang memiliki frekuensi getar yang sama ikut bergetar? Simak penjelelasannya. Peristiwa ikut bergetarnya garpu tala yang memiliki frekuensi yang sama disebut dengan peristiwa resonansi. Pada saat garpu tala digetarkan maka geombang yang dihasilkan akan merambat dalam suatu medium. Gelombang tersebut kemudian menyebabkan area disekitarnya bergetar dengan frekuensi yang sama dengan getaran sumber. Karena garpu tala B memiliki tetapan frekuensi yang sama dengan benda A maka garpu tala B akan bergetar layaknya getaran pada garpu tala A. Akan tetapi jika tetapan frekuensi garpu tala B berbeda dengan garpu tala A maka garpu tala B tidak akan ikut bergetar seperti pada garpu tala A. Sehingga dengan demikian dapat disimpulkan bahwa untuk mencapai peristiwa resonansi maka kedua benda harus memiliki frekuensi getar yang sama. Peristiwa resonansi kemudian dapat diimplementasikan untuk menemukan cepat rambat gelombang bunyi didalam suatu medium. Salah satunya adalah penentuan cepat rambat bunyi dalam medium udara melalui percobaan tabung resonansi. Percobaan tabung resonansi menggunakan dua buah tabung yang diisi dengan air. Tabung sebelah kanan digunaka untuk mengatur ketinggian cairan pada tabung sebelah kiri. Sebelumnya pada ujung tabung sebelah kiri digetarkan garpu tala dengan frekuensi tertentu. Ketinggian cairan dijadikan indikator interperensi maksimum dan minimum dimana pada saat interferensi maksimum maka akan terdengar bunyi dan pada saat interferensi minimum maka bunyi tidak akan terdengar sama sekali. Kecepatan rambat bunyi diudara kemudian dihitung dengan menggunakan persamaan

v

4 Ln f 2n  1

(20)

dengan v adalah cepat rambat bunyi di udara (m/s), L adalah jarak bunyi ke-n dari ketinggian cairan awal, f merupakan frekuensi arpu tala dan n merupakan urutan bunyi dengan dengan n = 1, 2, 3, dst. Gambar 13. Set Praktikum Tabung Percobaan mengenai tabung resonansi sering juga disebut dengan Resonansi eksperimen resonansi udara. Bentuk peristiwa resonansi dalam kehidupan ada yang menguntungkan dan ada juga yang merugikan. Salah satu peristiwa resonansi yang menguntungkan adalah saat berbicara dan berteriak. Disekitar selaput suara (pita suara) manusia terdapat area yang merupakan lalu lintas udara. Ketika pita suara tersebut bergetar maka udara akan ikut bergetar hingga akhirnya getaran tersebut ditransfer ke luar mulut. Sehingga kita mendengar bunyi (suara) yang jelas. Sedangkan bentuk peristiwa resonansi yang merugikan adalah pada saat terjadi petir ataupun ledakan bom yang besar. Akibat dari getaran yang dihasilkan oleh petir ataupun ledakan bom maka benda-benda disekitar area tersebut akan ikut bergetar. Pada beberapa kasus bunyi petir dapat menyebabkan kaca rumah pecah.


Contoh Soal: Sebuah garpu tala digetarkan diatas tabung resonansi yang memiliki luas penampang 10 cm2. Ketika ukuran tinggi air 0,2 m, pada gelas terjadi resonansi pertama. Selanjutnya air dikeluarkan sejumah 400 cm3 sehingga terjadi resonansi yang kedua . Jika kelajuan bunyi di udara adalah 300 m/s maka frekuensi garpu tala yang dipakai adalah... (SIMAK UI 2009) Jawab:

Volume  10cm 2 .x 400cm 3  10cm 2 .x x  40cm x  1  2

  2x  2  0,4m  0,8m 6.

f 

v





300  375Hz 0,8

Efek Dopler Suatu ketika kamu dan temanmu pergi dengan mobil ke suatu taman bermain. Diperjalanan kamu melihat mobil ambulan bergerak dengan cepat ke arah berlawanan sambil membunyikan sirine. Hingga beberapa saat kemudian kamu tidak lagi mendengar suara sirine ambulan tersebut. Menurutmu mengapa demikian? Faktor apa saja yang memperngaruhi bunyi sirine yang kamu dengar? Peristiwa tersebut didalam fisika merupakan implementasi dari efek Dopler. Efek Dopler merupakan gejala yang terjadi ketika sumber bunyi mengalami pergerakan secara relatif terhadap pengamat.

Gambar 14. Fenomena Efek Doppler

Dalam efek Dopler dijelaskan bahwa faktorfaktor yang berpengaruh terhadap bunyi yang didengar oleh pengamat terdiri dari frekuensi sumber bunyi, kecepatan gerak sumber bunyi dan gerak pengamat. Ketika pengamat berada pada jarak yang dekat dengan sumber bunyi maka pengamat akan mendengar bunyi dengan frekuensi yang lebih tingi. Sehingga frekuensi yang didengar oleh pengamat berbanding terbalik dengan posisi pengamat terhadap sumber bunyi. Selanjutnya ketika sumber bunyi mengeluarkan frekuensi yang lebih besar maka frekuensi yang diterima oleh pengamat juga akan lebih tinggi

Tokoh Christian Johan Doppler Christian Johan Doppler merupakan ilmuan fisika berkebangsaan Austria. Ia berhasil menemukan suatu gejala perambatan gelombang melalui eksperimen yang dilakukannya pada tahun 1842 dengan nama efek Doppler. Selain pada gelombang bunyi efek Doppler juga berpengaruh pada gelombang elektromagnetik (sumber: http://en.wikipedia.org)


sehingga frekuensi sumber bunyi berbanding lurus dengan frekuensi yang diterima oleh pengamat. Hubungan tersebut dapat dituliskan secara matematis sebagai berikut:

f pengamat f sumber  X sumber X pengamat

f pengamat 

X pengamat X sumber

(21)

(22)

f sumber

Ketika terjadi pergerakan baik oleh pengamat maupun sumber bunyi maka persamaan 22 berubah menjadi bentuk

f pengamat 

v pengamat v sumber

(23)

f sumber

Karena bunyi merupakan gelombang yang merambat dalam suatu medium maka cepat rambat bunyi dalam medium tersebut menjadi faktor yang juga berpengaruh terhadap frekuensi yang diterima oleh pengamat. Maka dengan memasukkan faktor tersebut persamaan 23 dapat ditulis ulang menjadi:

f pengamat 

v  vp v  vs

(24)

f sumber

dimana v merupakan cepat rambat bunyi dalam suatu medium. Tanda positif negatif merupakan indikasi pergerakan dari sumber bunyi ataupun pengamat. Ketika sumber bunyi dan pengamat bergerak saling menjauhi menjauhi maka nilai dari vs menjadi positif dan vp menjadi negatif. Begitupun sebaliknya untuk kasus yang berbeda. Pada medium udara, bunyi juga dipengaruhi oleh kecepatan udara sehingga dengan mensubtitusikan faktor tersebut maka persamaan 24 dapat ditulis ulang menjadi:

Perjanjian

f pengamat 

v  vp  h v  vs  h

f sumber

vp dan h bernilai + jika mengarah pada sumber bunyi dan bernilai – jika menjauhi sumber bunyi. Selanjutnya vs bernilai + jika menjauhi pengamat dan bernilai – jika mendekati pengamat.

f pengamat 

v  vp  h v  vs  h

f sumber

(24)

dengan h merupakan kecepatan udara.

Contoh Soal: Mobil ambulan A bergerak dengan kecepatan 0,25v dibelakang mobil sedan B yang memiliki kecepatan 0,2v searah A. Pada saat itu mobil ambulan A membunyikan sirine 1.000 Hz. Jika kecepatan rambat bunyi v, frekuensi bunyi yang didengar oleh pengemudi sedan B adalah.....(UN 2013) Jawab:


v A  0,25v, vB  0,2v , f A  1000Hz v  vp f pengamat  f sumber , Gunakan perjanjian efek dopler maka v  vs v  vp v  0,25v f pengamat  f sumber  1000 Hz v  vs v  0,2v f pengamat  1066,7 Hz Energi Gelombang Bunyi

Energi Gelombang Gelombang pada dasarnya memindahkan pola simpangan dari sumber ketitik tertentu didalam medium. Sepertinya halnya udara medium yang dikenai penyimpangan pola oleh gelombang akan ikut bergetar. Getaran sebagai suatu gerakan mekanis tentunya memiliki energi sehingga akibat interaksi yang diperoleh, bagian mediu yang awalnya stabildan tidak menyimpan energi kemudian memiliki energi dengan adanya gelombang yang menjalar. Pertanyaannya sekarang adalah berapa energi yang diawa gelombang tersebut? Ayo kita diskusikan! Gelombang sinusoidal memiliki perunbahan simpangan sesuai dengan fungsi harmoniknya. Partikelpartikel yang terdapat didalam medium akan memiliki energi yang berbanding lurus dengan amplitudo gelombang tersebut sebesar

E  1 k 2 2

(25)

dengan k merupakan bilangan gelombang. Berdasarkan gambar 14 kita dapat merumuskan bahwa Gambar 15. Energi dalam Elemen Volume

volume elemen : V  xA massa elemen : m  V  xA Kembali merujuk pada osilator harmonik pada pegas

yang digetarkan maka kita mempunyai kita

mempunyai



k sehingga untuk elemen massa m

k  m 2   2 xA sehingga persamaan energi pada

gelombang bunyi menjadi

E  1 ( 2 xA) 2 2

(26)

Jika kita mensubtitusikan persamaan waktu kedamal persamaan 26 maka persamaan 26 dapat ditulis ulang menjadi:


dt E  1 ( 2 xA) 2 2 dt 2 2 E  1 ( vA) dt 2

(27)

dengan ρ merupakan kerpatan udara,  sebagai amplitudo dan ω adalah kecepatan angular gelombang yang dirumuskan sebagai

  2f

. Ketika suatu gelombang

membawa energi sebesar E maka secara tidak langsung gelombang tersebut akan membawa daya. Daya (P) merupakan banyaknya energi yang dibawa setiap satuan waktu sehingg formulasi matematis untuk daya gelombang sendiri adalah sebagai berikut:

P

E t

1 ( 2 vA) 2 dt P 2 dt 2 P  1 ( vA) 2 2

(28)

Contoh Soal: Sebuah mesin diesel menghasilkan bunyi dengan amplitudo getaran sejauh 1 meter dan frekuensi 12000 Hz. Ketika pintu gudang dengan luas 2 m 2 dibuka maka besar energi bunyi yang keluar dari pintu tersebut adalah....( ρ = 1,23 kg/m3) Jawab:

E  1 ( 2 vA) 2 dt 2 E  0,5(2f ) 2 (1,23)(340)(2)(2) 2 E  0,5(2.3,14.12000) 2 (1,23)(340)(2)(2) 2 E  (0,5)(5679124600)(1,23)(8) E  2,27  1010 J

Info Sains Alquran selain sebagai kitab suci bagi umat islam juga berfungsi sebagai rujukan utama dalam segala aktifitas kehidupan. Dari Sudut Pandang sains umat islam memiliki tradisi sains islam untuk menjabarkan fenomena-fenomena di dalam alquran. Salah satu fenomena yang dimuat dalam alquran adalah fenomena energi gelombang. Dalam QS Hud ayat 67 Allah SWT menceritakan bagaimana allah mengazab umah nabi Shaleh AS dengan suara yang begitu keras hingga mereka semua mati dalam keadaan berlutut.

"Dan satu suara keras yang mengguntur menimpa orang-orang yang zalim itu, lalu mereka mati bergelimpangan di rumahnya)" QS : Hud ayat 67). Dari sudut pandang fisika berhasil dianalisis bagaimana bentuk azab yang Allah SWT berikan tersebut. erdasarkan kalkulasi matematis dan asumsi terbaik yang diambil maka diprediksi bunyi petir yang terdengar oleh umat nabi Shaleh AS sebesar


EV  2.94  10 29 J yang setara dengan 7000 Giga Ton peledak TNT atau setara dengan 100 Ton bom nuklir yang diciptakan saat ini. Hal ini berdasarkan analisis kedokteran mampu menyebabkan jantung berhenti berdetak dan menyebabkan otot-otot menjadi kaku seketika.

Intensitas dan Taraf Itensitas

Intensitas dan Taraf Intensitas

A. Intensitas Gelombang yang merambat pada suatu medium akan membawa energi dan daya di setiap waktunya. Besarnya daya uang dibawa oleh gelombang disuatu luas penampang tertentu dinyatakan dengan intensitas. Pengukuran intensitas gelombang haruslah pada medium yang saling tegak lurus dengan arah perambatan gelombang tersebut. Sehingga secara matematis besar intensitas gelombang bunyi adalah sebagai berikut:

I dengan I : P : A :

Intensitas Bunyi Daya Luas Penampang

P A

(29)

W/m2 W m2

Sebagaimana yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa pada perambatannya gelombang membuuhkan suatu medium. Selain berkaitan dengan medium rambatannya gelombang juga berkaitan dengan bentuk medium perambatannya. Medium perambatan gelombang bunyi secara umum terbagi menjadi dua yaitu dalam 2 dimensi ataupun dalam 3 dimensi. Sebagai contoh gelombang bunyi di udara. Udara memiliki permukaan 3 dimensi karena tidak ada batasan tertentu mengenai volume udara di atmosfer. Sehingga bentuk volume udara adalah menyerupai volume bumi. Jika mengasumsikan bahwa volume udara di atmosfer bersifat isontripoik (sama ke segala arah) maka bentuk gelombang yang dipancarkan juga akan saa ke segala arah (menyerupai bola). Intensitas gelombang bunyi di suatu medium tidak sama. Hal ini karena pengaruh dari luas penampang yang dilaluinya. Berdasarkan persamaan 29 terlihat bahwa intensitas berbanding terbalik dengan luas penampangnya sedangkan daya yang dibawa gelombang bernilai konstan. Dengan mengikuti pola tersebut maka dapat besar

I

P 4r 2

(30)

karena luas penampang yang ditinjau adalah luas penampang bola = bumi. Dengan demikian dapat dinyatakan bahwa besar intensitas bunyi yang diterima berbanding terbalik dengan kuadrad jarak titik uji dari sumber bunyi. Jika


dibandingkan berapa intensitas bunyi pada jarak sejauh r maka kita memperoleh persamaan baru

P I Sumber 4r 2 P 4r 2   P I ujir 4r 2 P 4r 2

(31)

karena r sumber adalah sumber itu sendiri maka

r2 I Sumber  I ujir 1 1 I ujir  2 I Sumber r B. Taraf Intensitas Kemampuan telinga manusia dalam mendengar sangat luar biasa. Telinga manusia secara kuantitas mampu mendeeengarkan bunyi yang memiliki intensitas 10-12 W..m-2 sampai 1 W..m-2 atau dengan interval 1012 W..m-2. Sehingga pemeliharaannya harus sangat diperhatikas. Selain untuk menjaga penndengaran pemeliharaan telinga juga sebagi wujud rasa syukur terhadap nikmat Allah SWT. Meskipun memiliki interval pendengaran manusia sangat besar, akan tetapi manusia tidak dapat mendengarkan bunyi dengan intensitas kurang dari 10-12 W..m-2 dan lebih dari 1W..m-2. Jika suatu sumber bunyi menghasilkan intensitas yang kecil dari 10-12 W..m-2 maka kita tidak dapat mendengarkan bunyi tersebut, sebaliknya jika sumber bunyi menghasilkan bunyi dengan intensitas lebih dari 1 W..m-2 maka akan menyebabkan kerusakan pada telinga kita. Kuantitas minimal pendengaran manusia disebut dengan intensitas ambang pendengaran sedangkan kuantitas maksimal disebut dengan intensitas ambang perasaan.

(32) (33)

Info Sains Bising merupakan suara yang mengganggu bagi manusia. Kebisingan dapat berasal dari mana saja dan membuat banyak masalah bagi kehidupan. Saat ini kebisingan bukan hanya sebagai sesuatu yang mengganggu lebih dari itu menjadi wabah bagi kehidupan masyarakat. Noise & Health merupakan salah satu jurnal yang memiliki skop untuk membahas mengenai masalah kebisingan dan kesehatan. Salah satu temuan yang paling ekstrem adalah bahwa kebisingan yang berlebihan dapat membuat pengerasan urat nadi.

Sumber: Schmidt, F. P., Basner, M., Kronger, G., Weck, S., Schnorbus, B., Muttray, A., . . . Munzel, T. (2013, July 2). Effect of nigttime aircraft noise exposure on endothelia function and stress hormone release in healthy adults. Europan Hearth Journal, XXXIV, 35083514. doi:10.1093/eurheartj/eht269

Berkaitan dengan intensitas dengar yang bergantung pada kuadrat jarak ke sumber, maka intensitas yang didengar oleh terdengar oleh telinga kita juga berkurang seiring dengan jarak intensitas. Pola pengurangan yang terjadi adalah berupa logaritmik. Maka dari itu besar taraf intensitas bunyi dapat dirumuskan sebagai berikut:


TI  10 log dengan TI : I : I0 :

Taraf Intensitas Bunyi Intensitas Bunyi Intensitas Ambang

I I0

(34)

dB W/m2 W/m2

Pemberian satuan dB (dibaca desiBell) untuk taraf intensitas bunyi merupakan penghargaan untuk penemuan telepon oleh Alexander Graham Bell. Persamaan 33 jika disubtitusikan kedalam persamaan 34 akan memberikan bagaimana bentuk hubungan taraf intensitas dengan jarak sumber bunyi. Secara matematis adalah sebagai berikut:

1 I 2 I r TI  10 log  10 log I0 I0r 2

TI  10 log

r12 I  TI  10 log 1 I0r 2 r22

(35)

dengan r merupakan jarak pendengar dari sumber. Kasus lainnya yang muncul berkaitan dengan taraf intensitas adalah pada sumber bunyi yang banyak. Untuk kasus tersebut maka nilai taraf intensitas dirumuskan sebagai berikut:

TI  TI1  10 log n

(35)

dengan n merupakan banyak sumber bunyi. Contoh Soal: Bunyi klason sepeda motor saat dibunyikan menghasilkan taraf intensitas 40 dB. Sedangkan klason sebuah mobil saat dibunyikan menghasilkan taraf intensitas 60 dB (Io = 10-12 W/m2). Jika 100 klason sepeda motor dan 10 klason mobil dibunyikan serentak maka perbandingan taraf intensitas sepeda motor dengan mobil adalah....(UN 2010) Jawab:

TI motor TI1 motor  10 log n 40  10 log 100   TI mobil TI1 mibil  10 log n 60  10 log 10 TI motor 40  20 60 6    7 TI mobil 60  10 70


Rangkuman

Rangkuman 1. 2. 3.

Gelombang bunyi merupakan gelombang mekanik longitudinal yangmemerlukan medium untuk perambatannya. Salah satu cara pengukuran kecepatan rambat bunyi di medium udara adalah dengan menggunakan tabung resonansi. Berdasarkan frekuensinya bunyi dikategorikan menjadi infrasonik, audiosonik dan ultrasonik

v

Y

.

4.

Cepat rambat bunyi pada zat padat diformulasikan

5.

Cepat rambat bunyi pada zat cair diformulasikan

6.

Cepat rambat bunyi pada zat gas diformulasikan v

7.

Gelombang bunyi secara mekanik mengikuti sifat-sifat gelombang pada umumnya yaitu dipantulkan, dibiaskan, berdifraksi, dan berinterferensi. Efek Doppler terjadi ketika terdapat gerak relatif antar sumber gelombang dengan pengamat pada persamaan

8.

f pengamat  9.

v  vp  h v  vs  h

v

 

  . 

RT . m

f sumber

Intensitas gelombang bunyi bergantung pada intensitas sumber dan jarak titik uji sevara logaritmik

TI  10 log

I I0


Latihan Soal 1.

2.

3.

4.

5.

6.

Latihan Soal

Sepotong dawai menghasilkan nada dasar f. Jika panjang dawai diperpendek 8cm dari panjang semula tanpa mengubah tegangan maka dawai tersebut mengahsilkan frekuensi 1,25f. Jika panjang dawai diperpendek 10 meter dari panjang semula maka frekuensi yang duhasilkan adalah... a. f d. 1,5f b. 1,25f e. 2f c. 1,33f Sebuah seruling yang memiliki kolom udara terbuka paa kedua ujungnya memiliki nada atas kedua dengan frekuensi 1700Hz. Jika kecepatan bunyi diudara adalah 340 m/s maka panjang seruling mendekati.... a. 10 cm d. 25 cm b. 15 cm e. 30cm c. 20 cm Sebuah tali memiliki massa 2gr/m ditegangkan dengan gaya sebesar 320 N. Berapakah cepat rambat bunyi pada tali tersebut? a. 100 m/s d. 400 m/s b. 125 m/s e. 450 m/s c. 300 m/s Pada suatu percobaan resonansi diperoleh nada pertama pada jarak 6,25 cm. Jika frekuensi garpu tala yang digunakan adalah 13688 Hz maka cepat rambat bunyi yang terukur adalah.... a. 324 m/s d. 340 m/s b. 330 m/s e. 342 m/s c. 336 m/s Dua buah sumber bunyi dengan frekuensi sama dipisahkan sejauh 10 m. Pada jarak 4,8 m dari sumber bunyi pertama seorang pengamat mendengarkan interferensi minimum yang pertama. Jika kecepatan rambat bunyi sebesar 340 m/s. Berapakah frekuensi yang dipancarkan oleh kedua sumber tersebut... a. 140 Hz d. 425 Hz b. 170 Hz e. 850 Hz c. 340 Hz Titik P berjarak 2 meter dari sumber bunyi dan intensitas gelombang di P adalah 900 watt/m2. Hitunglah intensitas gelombang di titik Q yang berjarak 6 meter dari sumber bunyi.... a. 100 W/m2 d. 500 W/m2 b. 200 W/m2 e. 900 W/m2 c. 300 W/m2


7.

8.

Sebuah mesin jahit menghasilkan intensitas bunyi sebesar 10-9 W/m2. Jika dalam suatu pabrik textil memiliki 10 mesin jahit yang beroperasi secara bersamaan, hitunglah taraf intensitas yang dihasilka oleh pabrik tersebut.... a. 3 dB d. 300 dB b. 30 dB e. 400 dB c. 40dB Seorang pengamat bergerak mendekati sumber bunyi yang diam dengan kecepatan 10 m/s. Jika frekuensi sumber bunyi sebesar 3400 Hz dan cepat rambat bunyi di udara adalah 340 m/s. Maka besar frekuensi yang diterima oleh pengamat tersbeur adalah... a. 1000 Hz d. 2500 Hz b. 1500 Hz e. 3500 Hz c. 2000 Hz

Kunci Jawaban : c-e-d-e-d-b-c-e

Daftar Pustaka

Daftar Pustaka

Abattouyi, M., Ali, W., Ayduz, S., Al-Azzawi, S., Burnett, C., Gani, M., . . . Zaimeche, S. (2006). 1001 Inventions Muslim Heritage in Our World. Manchester: Foundation for Science, Technology and Civilasation. Abdullah, M. (2017). Fisika Dasar II. Bandung: ITB. Ginanjar, A. (2014). Intisari Fisika. Bandung: Pustaka Setia. Halliday, R., Resnick, R., & Walker, J. (2014). Fundamentals of Physics (10th ed.). Ney York: Jhon Wiley & Sons. Harding, A. H., Frost, G. A., Tan, E., Tsuchiya, A., & Mason, H. M. (2013, NovemberDecember). The cost of hypertension-related ill-health attributable to enviromental noise. Noise & Health, LXVII(15), 437-445. doi:10.4103/1463-1741.121253 Pain, H. J. (2005). The Physics aof Vibration and Wave. New York: Jhon Wiley & Sons. Schmidt, F. P., Basner, M., Kronger, G., Weck, S., Schnorbus, B., Muttray, A., . . . Munzel, T. (2013, July 2). Effect of nigttime aircraft noise exposure on endothelia function and stress hormone release in healthy adults. Europan Hearth Journal, XXXIV, 35083514. doi:10.1093/eurheartj/eht269 Serway, R., & Jewett, J. W. (2008). Physics for Scientist and Engineers with Modern Physics. Belmont: Thomson Brooks/Cole. Tipler, P. A. (1998). Fisika Untuk Sains dan Teknik. Jakarta: Erlangga. Wibowo, J., & Cholid, A. O. (2014). Bahas Tuntas 1001 Soal Fisika. Yogyakarta: Pustaka Widyatama.


Bahan Ajar Gelombang Bunyi

Recommend Documents